n第1章电路模型和电路定律

1、第一章第一章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律测试与光电工程学院生物医学工程系绪论绪论v 参考方向v 功率性质的判别v KCL、KVLv 理解电路模型的概念；v 牢固掌握基尔霍夫定律和电路基本元件的伏安关系；v 掌握电功率和能量的计算。v 参考方向v 功率性质的判别v 电路元件的伏安特性：电阻，独立电源，受控电源v KCL、KVL1.1 电路和电路模型电路和电路模型1. 电路（Circuit） v定义： 电器元件或设备按一定方式连接构成的电流通路v电路的基本功能 能量转换：传输电能、分配、控制、转换 信号处理：电信号的产生、加工、传输、变换电路基本功能电路基本功能v电路的传输和转换v信号的

2、传递和处理降压变压器降压变压器电灯电灯电动机电动机电炉电炉输电线 发电机发电机升压变压器升压变压器电力系统电路示意图中间环节负载扩音机电路示意图信号源信号源（电源）（电源）放大器放大器扬声器话筒电路组成电路组成电源（又称激励）：供给电能的设备。把其它形式的能量转换为电能。负载： 消耗电能的设备。把电能转换为其它形式的能量。中间环节（又称传输控制环节）：各种控制电器和导线，起传输、分配、控制电能的作用。2. 电路理论主要研究电路中发生的电磁现象，并用电流、电荷、电压、磁通等物理量描述其中的过程。3. 电路理论的目标是计算电路中各器件的端子电流和端子间的电压，而不研究器件内部发生的物理过程。实际电

3、路实际电路电路模型电路模型电路分析电路分析电气特性电气特性电路综合电路综合4. 电路分类时不变时变集总参数分布参数动态静态线性非线性 电路元件参数不随时间变化。激励与响应满足叠加性和齐次性的电路。电路几何尺寸远小于最小工作波长的电路。含有动态元件的电路集总参数电路集总参数电路v根据实际电路的几何尺寸(d)与其工作信号波长()的关系，可以将它们分为两大类：(1)集总参数电路：满足d条件的电路。(2)分布参数电路：不满足d 0i 0 吸收功率功率Pa0 吸收功率功率Pa0 吸收功率功率Pa0 发出功率功率Pd0无记忆元件：无记忆元件：u(t) = Ri(t)1.5 电源元件（有源元件）电源元件（有

4、源元件）1. 理想电压源（独立电压源）在某一时刻，无论流过其两端的电流大小如何，都将保持端电压为规定值的二端元件电路符号i+_usuabi0us(t)伏安特性Us(t)输出电 压不变，其值恒等于电动势。即 uab uS (或uab US)；电源中的电流由外电路决定； 恒压源可以开路，但不能短路；恒压源可以串联使用。 理想电压源特点 电流（正电荷电流（正电荷 ）由低电位向高）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。功率。电压源功率电压、电流方向不一致； （实际） 发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用物理意义：物理意义：电压、电流方向一致；

5、电压、电流方向一致； （实际） 物理意义：物理意义： 电场力做功，电源吸收功率电场力做功，电源吸收功率吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载P0+_iu+_Suus+_iu+_Suus例例2：求各电路：求各电路a、b端的等效电路（端的等效电路（a，b开路）开路）例例3：计算图示电路各元件功率：计算图示电路各元件功率5Ri+_Ru+_10V5V- -+ 当电路中含有多个电源时，某些情况电源也吸收能量，如蓄电池，可充电电池注意2. 理想电流源（独立电流源）在某一时刻，无论流过端电压大小如何，都将保持电流为规定值的二端元件电路符号伏安特性ui0u+_理想电流源特点输出电流不变，其值恒等于电流源电流 I

6、S；输出电压由外电路决定；电流源不可以开路，但可以短路；恒流源可以并联使用；恒流源可能发出功率也可能吸收功率。电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。 电流源功率电压、电流的方向不一致发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用电压、电流的方向一致；吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载u+_u+_P0（实际）（实际）例例4：计算图示电路各元件的功率：计算图示电路各元件的功率u2Ai+_5V-+例5：电压源中的电流如何决定？电流源两端的电压等于多少？原则：Is不能变，US不能变。电压源中的电流电压源中的电流 I= IS恒流源两端的电压恒流源两端的电压?当当IS=1A, US=2V, R=1 时时,电

7、路中各元件功率消耗情况电路中各元件功率消耗情况?若若R=2 , 4 时又怎样时又怎样?常用干电池和可充电电池常用干电池和可充电电池例例6：求电路的等效电路（：求电路的等效电路（a，b开路）开路）恒压源与恒流源特性比较恒压源与恒流源特性比较恒压源恒流源不 变 量变 化 量Uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对 Uab 无影响。Is 的大小、方向均为恒定，外电路负载对 Is 无影响。输出电流 I 可变 - I 的大小、方向均由外电路决定端电压Uab 可变 -Uab 的大小、方向均由外电路决定1.6 受控电源受控电源(非独立源非独立源)1. 定义： 2. 电路结构特征：具有两条支路受控电压源的电压

8、和受控电流源的电流都不是给定的时间函数，而是受电路中某部分的电压或电流控制的，故受控源又称为非独立电源。电流源或电压源所在支路电流源或电压源所在支路受控支路受控支路控制支路控制支路控制电流或电压所在支路控制电流或电压所在支路电路符号+受控电压源受控电压源受控电流源受控电流源3. 受控源电路模型四种形式电压控制电压源电压控制电压源 ( VCVS )U2= U1 : 电压放大倍数电压放大倍数 （无量纲）（无量纲）电压控制的电流源电压控制的电流源 ( VCCS )i2= gU1g: 转移电导转移电导 （具有电导量纲）（具有电导量纲）电流控制电压源电流控制电压源 ( CCVS )U2= i1 : 转移

9、电阻转移电阻 （具有电阻量纲）（具有电阻量纲）电流控制的电流源电流控制的电流源 ( CCCS )i = i1 : 电流控制系数电流控制系数 （无量纲）（无量纲）4. 受控源特点u非独立的电源：不能独立向外电路提供能量。u具有两重性：电源性、电阻性。u表示某处的电路变量与另一处电路变量之间的耦合关系，本身不直接起“激励”作用。注意 独立电源在电路中可以独立地起“激励”作用，是实际电路电能或电信号的“源泉”v课堂练习 1-4、1-8、1-91.7 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫定律是任何集总参数电路都适用的基本定律，它包括电流定律和电压定律。基尔霍夫电流定律描述电路中各电流的约束关系，基尔霍夫

10、电压定律描述电路中各电压的约束关系。1. 五个名词uS2uS1a+_R1+_R2R3bi3i2i1支路u电路中每一个两端元件就叫一条支路。电路中每一个两端元件就叫一条支路。u电路中通过同一电流的分支。电路中通过同一电流的分支。结点u元件的连接点称为结点。元件的连接点称为结点。u或三条以上支路的连接点称为结点。或三条以上支路的连接点称为结点。a+_R1uS1+_uS2R2R3b路径由支路组成的两个结点间由支路组成的两个结点间的一条通路的一条通路回路由支路组成由支路组成闭合闭合路径路径12网孔对对平面电路平面电路，其内不含任何支路的回路称为网孔，其内不含任何支路的回路称为网孔6条支路4个节点 7个

11、回路2. 基尔霍夫电流定律在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。b 1( )0mi t orii入出1i5i4i3i2i令流出为“+”，有：123450iiiii 12345iiiiiu结点1： I1 - I2 I3=0u结点2： - I3 I4 I5=0u结点3： - I1 - I4 I6=0u结点4： I2 - I5 - I6 =0结点1、2、3电流方程式相加等于结点4的电流方程KCL依据的是电流的连续性KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面1 3 2i3i2i5i4i1i63. 基尔霍夫电压定律在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有

12、支路电压的代数和恒等于零。b 1( )0mu t oruu升降标定各元件电压参考方向标定各元件电压参考方向 选定回路绕行方向，顺时选定回路绕行方向，顺时针或逆时针针或逆时针.I1I3I2+R1US1I4_+US4R4R3R2_U1US1+U2+U3+U4+US4= 0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4I1I3I2+R1US1I4_+US4R4R3R2_一般设电压升为负，电压降为正U3U1U2U4注意支路电压方向取为与支路电流方向一致。123u回路1： -I3R3-I4R4-US1 =0u回路2： I3R3+I5R5-US2 =0u回

13、路3: I4R4+I6R6-I5R5 =0KVL可推广应用于电路回路的部分电路 列方程前，一定要在电路上标出电流，电压或电动势的方向注意讨论电路中电压电流的变化遵循两类约束条件: u第二类是元件连接关系第二类是元件连接关系(拓扑约束拓扑约束) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律u第一类是元件特性关系第一类是元件特性关系(电压电流关系电压电流关系VCR)( , )0f u i b 1( )0mu tb 1( )0mi t+-+-E3E1E2-R1RRRI1I2I3I4I5I6例例7：求各支路电流：求各支路电流？+-+-E3E1E2-R1RRRI1I2I3I4I5I6例例8：求电压：求电压 U 和电流和电流

14、 I 及受控源的功率。及受控源的功率。I例例9：电路及参考方向如图，已：电路及参考方向如图，已知知R1=R2=R3=10 ，Us1=Us2=Us3=12 V, Is1=1A, Is2=2A, Is3=3A, 求Uad。 d例例10：电路及参考方向如图，：电路及参考方向如图，求求Uab。12823+20V-5A+2V-abI I2 2I I3 3I I1 14. KCL、KVL小结 KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。 KCL、KVL与组成支路的元件的性质及其参数无关。 KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。 KCL、KVL只适用于集总参数的电路。思考题思考题i1=i2?UA =UB?AB+_13V+_2Vi111111i2例11求电流 i解例12解求电压 u3A-2A33451?i+20V-+10V-5V+ u=？-+-4V5Vi =?3+-4V5V1A+-u =?3例13求电流 i例14求电压 u解解解I1-10V10V+-1AI =?10例15求电流 I例16求电压 U解4V+-10AU =?2+-3AI解10V+-3I2U=?I =055-+2I2